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Cytogenetic characterization of EPSPS gene amplification in glyphosate-resistant Hordeum glaucum and Bromus diandrus from Australia.
Plant J · 2024 · 120:2553-2562 · PMID 39540878 · 등급5 동물·현장 현장조사 · 물질과 작용기전 > EPSPS·시킴산 경로 · 수생생물
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광범위한 선택의 결과로 두 개의 다배체 풀 잡초인 Hordeum glaucum(북부 보리풀; 2n = 4x = 28)과 Bromus diandrus(립거트 브롬; 2n = 8x = 56)가 호주에서 글리포세이트에 대한 내성을 진화시켰다. 이전 연구에서는 5-enolpyruvylshikimate-3-Phosphate synthase (EPSPS) 유전자의 증폭이 이 두 잡초 종에서 내성에 기여함을 시사하였다. 본 연구의 목적은 형광 제자리 부합법(FISH)을 이용한 분자 세포유전학적 분석을 통해 이 두 종의 EPSPS 유전자 게놈 구성을 조사하여 해당 유전자 증폭의 가능한 메커니즘을 이해하는 것이었다. 정량 중합효소 연쇄 반응(quantitative polymerase chain reaction)을 이용하여 H. glaucum과 B. diandrus 식물의 EPSPS 복제 수를 추정하였다. 두 종 모두 감수성 식물은 EPSPS를 한 복제본으로 가졌으나, 내성 식물인 H. glaucum과 B. diandrus는 각각 14-17개 및 16-32개의 복제본을 가졌다. 글리포세이트에 민감한(Hg-RWS) H. glaucum의 FISH 분석 결과, 상동 염색체의 두 쌍의 말단 부위에서 EPSPS 유전자의 희미한 신호가 네 개 관찰되었다. 글리포세이트 내성 H. glaucum (Hg-YP1) 역시 상동 염색체의 두 쌍의 말단 부위에서 EPSPS 유전자 증폭을 보였으나, 신호는 더 밝았고 EPSPS 유전자의 클러스터 형태로 나타났다. 유사하게, 글리포세이트에 민감한 B. diandrus (Bd-S) 식물은 상동 염색체 두 개에서 말단 위치에 EPSPS 유전자의 희미한 신호를 보였다. 그러나 두 개의 글리포세이트 내성 B. diandrus 샘플인 Bd-SA988 및 Bd-Vic는 상동 염색체의 말단에 위치한 EPSPS 유전자로부터 훨씬 더 밝은 혼성화 신호를 보여, 이 부위에서 EPSPS 유전자 복제본의 증가를 시사하였다. 전반적으로, 감이 중기 동안 발생한 불균등 교차(unequal crossover)가 초기 EPSPS 유전자 중복을 유발하여 글리포세이트 내성 진화를 촉발했을 수 있다.
ORIGINAL ABSTRACT
As a result of extensive selection, two polyploid grass weeds, Hordeum glaucum (northern barley grass; 2n = 4x = 28) and Bromus diandrus (ripgut brome; 2n = 8x = 56), have evolved resistance to glyphosate, in Australia. Previous research suggested amplification of 5-enolpyruvylshikimate-3-Phosphate synthase (EPSPS) gene confers resistance in these two weed species. The objective of this research was to investigate the genomic organization of the EPSPS gene in these two species through molecular cytogenetic analyses of fluorescence in situ hybridization (FISH) to understand possible mechanism of amplification of this gene. EPSPS copy number of H. glaucum and B. diandrus plants was estimated via quantitative polymerase chain reaction. The susceptible plants of both species had one copy of EPSPS, whereas the resistant plants of H. glaucum and B. diandrus had 14-17 and 16-32 copies, respectively. FISH analysis of glyphosate-susceptible (Hg-RWS) H. glaucum, revealed four faint signals of the EPSPS gene in two pairs of homologous chromosomes, at the telomeric region. The glyphosate-resistant H. glaucum (Hg-YP1) also showed amplification of EPSPS gene at telomeric regions in two pairs of homologous chromosomes, but the signals were brighter and appeared as cluster of EPSPS genes. Similarly, the glyphosate-susceptible B. diandrus (Bd-S) plants showed faint signals of EPSPS gene on two homologous chromosomes, at the telomeric position. However, samples of two glyphosate-resistant, B. diandrus, Bd-SA988 and Bd-Vic showed much brighter hybridization signals of EPSPS gene, located at the telomere on two homologous chromosomes, suggesting an increase in EPSPS gene copies at this position. Overall, unequal crossover during meiosis may have triggered the initial EPSPS gene duplication sparking the evolution of glyphosate resistance.
저자Islam, M. M.; Gill, B. S.; Malone, J. M.; Preston, C.; Jugulam, M.
저널The Plant journal : for cell and molecular biology
권·호·쪽120(6), 2553-2562
PMID39540878
DOI10.1111/tpj.17128
MeSHGlyphosate; Glycine; 3-Phosphoshikimate 1-Carboxyvinyltransferase; Herbicide Resistance; Hordeum; In Situ Hybridization, Fluorescence; Gene Amplification; Australia; Chromosomes, Plant; Herbicides; Gene Dosage; Plant Proteins
APA 7판
Islam, M. M., Gill, B. S., Malone, J. M., Preston, C., & Jugulam, M. (2024). Cytogenetic characterization of EPSPS gene amplification in glyphosate-resistant Hordeum glaucum and Bromus diandrus from Australia. Plant J, 120(6), 2553-2562. https://doi.org/10.1111/tpj.17128
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